(57)【要約】【課題】遠心力混合粉末法にて作製するメタルボンド砥石の砥粒分布の制御が湯流れなどに起因して困難である問題点を解決する。【解決手段】母相金属粉末および固相微細粒子粉末を混合してこれらの混合粉末を作製し、該混合粉末を鋳造用鋳型に投入した後に鋳造用鋳型に遠心力を印加し、鋳造用溶解炉で作製した母材溶融金属を鋳造用鋳型に流し込むことにより、母相金属と固相微細粒子が複合化した複合材料を製造する。このとき、鋳造用溶解炉で作製した母材溶湯の温度は、混合粉末中の母相金属を溶融し、かつ遠心力による固相微細粒子の移動速度が小さくなる温度となるように混合粉末の見かけの熱伝導率に基づいて決定するものとする。また、熱伝導率に基づいて決定した溶解温度における遠心鋳造でも固相粒子が不均一に分散する場合は、固相粒子の寸法を小さくすることによって改善可能とする。【選択図】図11
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母相金属粉末および固相微細粒子粉末を混合してこれらの混合粉末を作製し、該混合粉末を鋳造用鋳型に投入した後に鋳造用鋳型に遠心力を印加し、鋳造用溶解炉で作製した母材溶融金属を鋳造用鋳型に流し込むことにより、母相金属と固相微細粒子が複合化した複合材料を製造する方法であって、前記鋳造用溶解炉で作製した母相溶湯の温度は、混合粉末中の母相金属を溶融し、かつ遠心力による固相微細粒子の移動速度が小さくなる温度となるように混合粉末の見かけの熱伝導率に基づいて決定することを特徴とする母相金属と固相微細粒子が複合化した複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記製造方法であって、熱伝導率に基づいて決定した溶解温度における遠心鋳造でも固相粒子が不均一に分散する場合は固相粒子の寸法を小さくして制御することを特徴とする母相金属と固相微細粒子が複合化した複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記母相金属粉末がＣｕ粉末、真鍮、ブロンズ、又は鉄鋼であり、
前記固相微細粒子粉末がダイヤモンド、ＳｉＣ、アルミナ、又はCBNであることを特徴とする請求項１、又は２に記載の母相金属と固相微細粒子が複合化した複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記の母相金属と固相微細粒子が複合化した複合材料の製造方法により製造されるメタルボンド砥石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心鋳造を利用することにより、母相金属と固相微細粒子が複合化した複合材料の製造方法及び当該方法により製造されるメタルボンド砥石に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
メタルボンド砥石は、ダイヤモンドやＳｉＣといった砥粒を金属母相中に複合化させた砥石である。このようなメタルボンド砥石は、従来、焼結法あるいは電着法によって作製されている。焼結法にて作製したメタルボンド砥石は、砥粒が砥石全体に渡って均一に分散している。そのため、焼結法によって作製される砥石は砥粒の使用量が多い。一方で、電着法で作製した砥石は、刃先近傍のみに砥粒が分散している砥粒層が存在するが、砥粒層と台金との界面で剥離が生じることが多い欠点を持つ。そのため、焼結や電着で作製したメタルボンド砥石は、ダイヤモンドの使用量が多いことやその耐久性が低い問題を有していた。
【０００３】
金属母相中に微細な固相粒子を複合化させる方法の一つに、特許文献１、非特許文献１および非特許文献２に示されている遠心力混合粉末法がある。この技術では、まず母相金属粉末と複合化させたい固相粒子を混合して混合粉末１を作製する（図１）。そして、該混合粉末１を円筒形状金型２に投入した後、前記円筒形状金型２を回転させることによって該混合粉末１に遠心力を印加し、湯道３を通じて溶解炉で溶解された母相金属溶湯４を流し込む（図２）。凝固後、微細な固相粒子が母相金属に強固に固定され、母相金属中に微細固相粒子が均一あるいは傾斜分散した複合材料を得ることできる。図１および図２に示す遠心力混合粉末法は図３に示す外周面に固相粒子５が分散した円筒形状複合材料を作製する方法であるが、図４に示すような遠心鋳造装置を用いることによって、図５のような棒状試料の先端部に固相粒子５が分散した複合材料を得ることもできる。
【０００４】
これまで、図４に示すような装置を用いて、遠心力混合粉末法でＣｕ母相中にダイヤモンド粒子が分散した棒状のメタルボンド砥石を作製している（非特許文献３）。その結果、ダイヤモンド粒子をＣｕ母相に複合化することは可能であったが、湯流れなどにより、意図したダイヤモンド粒子分布を得ることが困難であった。そのため、遠心力混合粉末法によって目的の砥粒分布を持つメタルボンド砥石を製造するためには、砥粒の分散制御方法を確立する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2008-284589号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】渡辺義見，佐藤尚；ケミカルエンジニヤリング，54 (2009) 249-254.
【非特許文献２】Yoshimi Watanabe, Yoshifumi Inaguma, Hisashi Sato and Eri Miura-Fujiwara; Materials, 2 (2009) 2510-2525.
【非特許文献３】Yoshimi Watanabe, Eri Miura-Fujiwara, Hisashi Sato, Kunio Takekoshi, Hideaki Tsuge, Tadashi Kaga, Naoyuki Bando, Shigemasa Yamagami, Kazumasa Kurachi and Hisanori Yokoyama; International Journal of Materials and Puroduct Techonology, 42 (2011) 29-44.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、遠心力混合粉末法にて作製するメタルボンド砥石の砥粒分布の制御が湯流れなどに起因して困難である問題点を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１および請求項２に記載の発明では、混合粉末の見かけの熱伝導率に基づいた母相金属の溶解温度設定および混合粉末中の固相粒子寸法によって、遠心力混合粉末法にて作製する複合材料の固相粒子分布制御に関する方法を発明した。
【０００９】
請求項１および請求項２に記載の発明における製造方法では、まず母相金属粉末と固相粒子粉末の混合粉末を作製し、該混合粉末を図４に示すような遠心鋳造装置の鋳造用鋳型６に投入する。その後、次に説明する方法で決定される溶解温度で母相金属７を溶解炉コイル８にて溶解した後、混合粉末を有する鋳造用鋳型６に遠心力を印加し、該母相金属溶湯を該鋳造用鋳型６に流し込む。これにより、図５に示すような棒状鋳造材の先端部で固相粒子５が均一分散した複合材料を製造する。なお、母相金属の溶解温度は以下の手順にて決定される。作製した混合粉末の見かけの熱伝導率を次のMaxwell式にて推算する。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
ここで、leff、lm、ldおよびVdは、それぞれ混合粉末の見かけの熱伝導率、母材の熱伝導率、固相粒子の熱伝導率および固相粒子の体積分率である。算出した混合粉末の見かけの熱伝導率に基づいて、混合粉末中の母相金属を溶解できるような溶解温度を決定する。ただし、この溶解温度を決定するためには、混合粉末の見かけの熱伝導率、母相金属溶湯の温度（溶解温度）およびそれによって得られる鋳造材の良否の関係をあらかじめ把握し、その関係を示すデーターベースを作成する必要がある。すなわち、鋳造で用いる混合粉末の見かけの熱伝導率に対して、該データーベースから適切な溶解温度を決定しなければならない。また、熱伝導率に基づいて決定した溶解温度における遠心鋳造でも固相粒子が不均一に分散する場合は、固相粒子の寸法を小さくすることによって改善することも可能である。すなわち、混合粉末の見かけの熱伝導率を考慮した母相金属の溶解温度および固相粒子の寸法によって、固相粒子が均一分散した複合材料を製造する製造方法を本発明の技術的手段とする。
【００１２】
請求項３および請求項４に記載の発明における製造方法では、まずＣｕ母相粉末と砥粒粉末の混合粉末を作製し、該混合粉末を図４に示すような遠心鋳造装置の鋳型に投入する。その後、混合粉末の見かけの熱伝導率を数１より算出し、それに基づいて決定した溶解温度にてＣｕ母相溶湯を作製した後、混合粉末を有する鋳造用鋳型に遠心力を印加し、該Ｃｕ母相溶湯を該鋳造用鋳型に流し込む。これにより、棒状鋳造材の先端部で砥粒が均一分散したメタルボンド砥石を製造する。また、熱伝導率に基づいて決定した溶解温度における遠心力混合粉末法でも砥粒が不均一に分散する場合は、砥粒の寸法を小さくすることによって改善することも可能である。すなわち、Ｃｕと砥粒の混合粉末における見かけの熱伝導率を考慮したＣｕ母相溶湯の溶湯温度および砥粒寸法によって、砥粒が均一分散したメタルボンド砥石を製造する製造方法を本発明の技術的手段とする。
【００１３】
また請求項１から請求項４において記述されている図４に示される遠心鋳造装置は、上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用可能である。例えば、図１に示すような円筒形状金型を用いたタイプの遠心鋳造装置や三角柱、四角柱および多角柱などその他複雑な形状の鋳造用鋳型を持つ遠心鋳造装置も適用可能である。さらに請求項２において記述されている該母材金属粉末と該母材溶融金属は、同一の種類の金属や合金である必要は無く、例えば、母材金属粉末が鉄合金、母材溶融金属が鉄合金といった様に、その他すべての金属および合金の組み合わせでも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の背景技術である遠心力混合粉末法における母相金属粉末と固相粒子粉末の混合粉末１を回転中の円筒形状金型２に投入する方法を模式的に描いた図である。
【図２】本発明の背景技術である遠心力混合粉末法における母相金属溶湯４を回転中の円筒形状金型２に流し込む方法を模式的に描いた図である。
【図３】本発明の背景技術である遠心力混合粉末法を用いて作製した外周面に固相粒子を有する円筒形状複合材料を模式的に描いた図である。
【図４】本発明の背景技術である遠心力混合粉末法にて棒状複合材料を作製する際に用いる遠心鋳造装置を模式的に描いた図である。
【図５】図４に示す遠心鋳造装置を用いて本発明の背景技術である遠心力混合粉末法によって作製した棒状複合材料を模式的に描いた図である。
【図６】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法にて用いて鋳造用鋳型の模式図である。
【図７ａ】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法によって製造したＣｕ―ダイヤモンド複合材料の外観を示す実体顕微鏡写真である。Ｃｕ母相金属の溶解温度は１２００℃である。複合材料先端部には、ダイヤモンド粒子が分散している混合粉末領域１０が存在する。
【図７ｂ】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法によって製造したＣｕ―ダイヤモンド複合材料の外観を示す実体顕微鏡写真である。Ｃｕ母相金属の溶解温度は１２５０℃である。複合材料先端部には、ダイヤモンド粒子が分散している混合粉末領域１０が存在する。
【図７ｃ】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法によって製造したＣｕ―ダイヤモンド複合材料の外観を示す実体顕微鏡写真である。Ｃｕ母相金属の溶解温度は１３００℃である。複合材料先端部には、ダイヤモンド粒子が分散している混合粉末領域１０が存在する。
【図８ａ】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法によって製造したＣｕ−ダイヤモンド複合材料の混合粉末領域１０における微細組織を示した走査型電子顕微鏡写真である。Ｃｕ母相金属の溶解温度は１２００℃である。
【図８ｂ】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法によって製造したＣｕ−ダイヤモンド複合材料の混合粉末領域１０における微細組織を示した走査型電子顕微鏡写真である。Ｃｕ母相金属の溶解温度は１２５０℃である。
【図８ｃ】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法によって製造したＣｕ−ダイヤモンド複合材料の混合粉末領域１０における微細組織を示した走査型電子顕微鏡写真である。Ｃｕ母相金属の溶解温度は１３００℃である。
【図９ａ】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法によって製造したＣｕ−ＳｉＣ複合材料の外観を示す実体顕微鏡写真である。このＣｕ−ＳｉＣ複合材料は、Ｃｕ母相金属を１３００℃で溶解することによって製造された。
【図９ｂ】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法によって製造したＣｕ−ＳｉＣ複合材料の混合粉末領域１０における微細組織を示した走査型電子顕微鏡写真である。Ｃｕ母相金属の溶解温度は１３００℃である。
【図１０】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法において、粒子径１５０―１７０μmのダイヤモンド砥粒を用いて、かつＣｕ母相金属を１３００℃で溶解することによって製造されたＣｕ−ダイヤモンド複合材料の先端部におけるダイヤモンド砥粒体積分率変化を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法において、粒子径６０−７０μmのダイヤモンド砥粒を用いて、かつＣｕ母相金属を１３００℃で溶解することによって製造されたＣｕ−ダイヤモンド複合材料の先端部におけるダイヤモンド砥粒体積分率変化を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施形態における遠心力混合粉末法にて製造したＣｕ−ダイヤモンド複合材料を用いて作製したジャイロ式穴あけ加工機用メタルボンド砥石の模式図である。
【図１３】本発明の実施形態で製造したジャイロ式穴あけ加工機用メタルボンド砥石による炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の穴あけ試験の結果を示す実体顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１実施形態）
母材金属粉末である粒子径１５μm以下のＣｕ粉末と、砥粒である粒子径１５０−１７０μmのダイヤモンド粒子とからなるＣｕ−２５ｖｏｌ．％ダイヤモンド混合粉末を１６．２ｇだけ作製し、該混合粉末を図６に示す鋳造用鋳型に充填した。Ｃｕとダイヤモンドの熱伝導率をそれぞれ４０２Ｗ／ｍＫおよび２０００Ｗ／ｍＫとしたとき、該混合粉末の見かけの熱伝導率は６０２W/mKである。そして母相金属で純Ｃｕインゴット１３０ｇを鋳造用溶解炉に装填し、溶解温度１２００℃，１２５０℃および１３００℃に加熱することでＣｕ母相溶湯とした後、重力倍数３５Ｇ（重力倍数１Ｇが重力場に相当）の遠心力を印加し、該Ｃｕ母相溶湯を鋳造用鋳型に流し込んだ。これによって、図７に示すような鋳造材先端部にダイヤモンド砥粒が分散した複合材料を製造した。図７（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す実体顕微鏡写真は、それぞれ溶解温度１２００℃、１２５０℃および１３００℃で作製したＣｕ−ダイヤモンド複合材料のマクロ組織である。溶解温度１２００℃および１２５０℃で作製した複合材料先端部においては、混合粉末中のＣｕ粉末が溶解しておらず、混合粉末領域１０において一部のＣｕ粉末が脱落した。一方、１３００℃で作製したＣｕ−ダイヤモンド複合材料においては、１２００℃および１２５０℃で作製した複合材料で生じたＣｕ粉末の脱落が生じなかった。図８（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す走査型電子顕微鏡写真は、それぞれ溶解温度１２００℃、１２５０℃および１３００℃で作製したＣｕ−ダイヤモンド複合材料の先端部（混合粉末領域１０）における微細組織を示している。この写真からも、溶解温度１３００℃で作製した複合材料のみにおいて混合粉末中のＣｕ粉末が溶解していることが分かる。すなわち、見かけの熱伝導率が６２６Ｗ／ｍＫである混合粉末を用いる場合は、１３００℃以上の溶解温度が必要である。
【００１６】
そこで、これを検証するために、ダイヤモンドよりも熱伝導率が低いＳｉＣを砥粒とした混合粉末を作製して鋳造を試みた。母材金属粉末である粒子径１５μm以下のＣｕ粉末と砥粒である粒子径１５０−１７０μmのＳｉＣ粒からなるＣｕ−２５ｖｏｌ．％ＳｉＣ混合粉末を作製し、該混合粉末を鋳造用鋳型に充填した。ＣｕとＳｉＣの熱伝導率をそれぞれ４０２Ｗ／ｍＫおよび６００Ｗ／ｍＫとしたとき、該混合粉末の見かけの熱伝導率は４４６Ｗ／ｍＫである。そして母相金属で純Ｃｕインゴット１３０ｇを溶解炉に装填し、溶解温度１３００℃に加熱することでＣｕ溶融金属とした後、重力倍数３５Ｇ（重力倍数１Ｇが重力場に相当）の遠心力を印加し、該Ｃｕ母相溶湯を鋳造用鋳型に流し込んだ。これによって、図９に示すような複合材料先端部にＳｉＣ粒子が分散した複合材料を製造した。図９から分かるように、ＳｉＣ粒子を用いた鋳造材は、混合粉末領域１０におけるＣｕ粉末の溶解が完了しておらず、一部のＣｕ粉末が脱落した。よって、混合粉末の見かけの熱伝導率が小さな場合は、より高い温度でのＣｕ母相金属の溶解が必要である。すなわち、混合粉末の見かけの熱伝導率を基準として、遠心力混合粉末法による複合材料の固相粒子分散制御が可能である。
【００１７】
図１０は、Ｃｕ母相の溶湯温度１３００℃で上記の遠心力混合粉末法にて作製したＣｕ−ダイヤモンド複合材料における複合材料先端からの距離に伴う砥粒体積分率変化を示したグラフである。このグラフより、Ｃｕ−ダイヤモンド複合材料におけるダイヤモンド砥粒分布は目標値と大きく異なっていた。これは、ダイヤモンド砥粒が遠心力の影響によって遠心力方向と反対方向に移動したためである。非特許文献１に示されているように、液相中における固相粒子の移動速度は固相粒子直径が小さくなるほど遅くなる。そのため、ダイヤモンド砥粒の直径を小さくすることで、鋳造材中の固相粒子分布を制御することが可能である。そこで、砥粒である粒子径６０−７０μmのダイヤモンド粒子を用いて、同様の鋳造条件にてＣｕ−ダイヤモンド複合材料を作製した。図１１は、該鋳造材におけるダイヤモンド砥粒分布を示したグラフである。このグラフより、ダイヤモンド砥粒分布の制御に成功していることが分かる。
【００１８】
遠心力混合粉末法にて作製したＣｕ−ダイヤモンド複合材料から砥石１１を切り出し、歯車１２を取り付けることによって図１２に示すようなジャイロ式穴あけ加工機用メタルボンド砥石を作製し、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の穴あけ加工試験を行った。その結果を示す実体顕微鏡写真は図１３である。この結果より、バリのないＣＦＲＰの穴あけ加工に成功しており、本技術によって作製したメタルボンド砥石は難加工材の加工砥石として有効である。
【符号の説明】
【００１９】
１  母相金属粉末と固相粒子粉末を混合することにより作製された混合粉末である。
【００２０】
２  空洞を有し、回転可能な円筒形状金型である。
【００２１】
３  混合粉末や母相金属溶湯を円筒形状金型へ流し込むための湯道である。
【００２２】
４  複合材料の母相金属とするために、円筒形状金型へ流し込む母相金属溶湯である。
【００２３】
５  遠心力混合粉末法によって製造された円筒形状の複合材料における固相粒子である。固相粒子は複合材料の外周面のみに分散している。
【００２４】
６  棒状の複合材料を製造するための遠心鋳造装置における鋳造用鋳型である。
【００２５】
７  溶解前の母相金属である。
【００２６】
８  母相金属を溶解するための高周波コイルである。
【００２７】
９  鋳造用鋳型内部にある中子である。
１０  遠心力混合粉末法によって製造された棒状Ｃｕ−ダイヤモンド複合材料あるいはＣｕ−ＳｉＣ複合材料の先端部の混合粉末が存在していた混合粉末領域である。
１１  メタルボンド砥石におけるダイヤモンド砥粒が分散した砥石の部分である。
１２  ジャイロ式穴あけ加工機にてメタルボンド砥石を回転させるために必要な歯車である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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